Опалення будинку Схема опалення будинку з тепловим насосом

Опалення будинку. Схема опалення будинку з тепловим насосом

У цій статті розглядаються варіанти опалення будинку та гарячого водопостачання за допомогою теплового насоса, сонячного колектора і кавітаційного теплогенератора. Дана наближена методика розрахунку теплового насоса і теплогенератора. Наведено приблизна вартість витрат для обігріву будинку за допомогою теплового насоса.

Що таке тепловий насос

Щоб зрозуміти його принцип дії можна подивитися на звичайний побутовий холодильник або кондиціонер.

Сучасні теплові насоси використовують для своєї роботи низько потенційного джерела тепла землю, грунтові води, повітря. І в холодильнику і в тепловому насосі діє один і той же фізичний принцип (фізики називають такий процес циклом Карно). «Тепловий насос» - пристрій, який «викачує» тепло з холодильної камери і викидає його на радіатор. Кондиціонер «викачує» тепло з повітря кімнати і викидає її на радіатор, але знаходиться на вулиці. При цьому до тепла, «висмоктати» з кімнати, додається ще тепло, в яке перетворилася електрична енергія, спожита електродвигуном кондиціонера.

Число, що виражає відношення вироблюваної тепловим насосом (кондиціонером або холодильником) теплової енергії до споживаної ним електричної енергії, фахівці з теплових насосів називають «опалювальним коефіцієнтом». У кращих теплових насосах опалювальний коефіцієнт досягає 3 - 4. Тобто на кожен спожитий електродвигуном кіловат-годину електроенергії виробляється 3-4 кіловат-години теплової енергії. (Один кіловат-годину відповідає 860 кілокалорій.) Цей коефіцієнт перетворення (опалювальний коефіцієнт) безпосередньо залежить від температури джерела тепла, чим вище температура джерела, тим більше коефіцієнт перетворення.

Кондиціонер бере цю теплову енергію з повітря вулиці, а великі теплові насоси «викачують» це додаткове тепло зазвичай з водойми / підземних вод або грунту.

Хоча температура цих джерел набагато менше, ніж температура повітря в обігрівається будинку, але і це низькотемпературне тепло грунту або води, тепловий насос і перетворює в високотемпературне. необхідне для обігріву будинку. Тому теплові насоси називають ще «трансформаторами тепла». (Процес перетворення див. Нижче)

Примітка. Теплові насоси не тільки зігрівають будинку, але і остуджують воду в річці, з якої викачують тепло. А в наш час, коли річки занадто перегріті промисловими і побутовими стоками, охолоджувати річку дуже корисно для життя в ній живих організмів і риби. Чим нижче температура води, тим більше в ній може розчинитися кисню, необхідного для риби. У теплій воді риба задихається, а в холодній блаженствует.Поетому теплові насоси дуже перспективні в справі порятунку навколишнього середовища від "теплового забруднення".

Але установка системи опалення за допомогою теплових насосів поки занадто дорога, тому що потрібні велика кількість земляних робіт плюс витратних матеріалів, наприклад, труб для створення колектора / теплообмінника.

Так само варто пам`ятати що в теплових насосах, як і в звичайних холодильниках, використовується компресор, що стискає робоче тіло - аміак або фреон. На фреоне теплові насоси працюють краще, але фреон вже заборонений до застосування через те, що він, потрапляючи в атмосферу, випалює в її верхніх шарах озон, який захищає Землю від ультрафіолетового проміння Сонця.

І все-таки мені здається, що майбутнє за тепловими насосами. Але їх, ніхто поки не виробляє масово. Чому? Не важко здогадатися.

Якщо з`являється альтернативне джерело дешевої енергії, то куди подіти видобутий газ, нафту і вугілля, кому його продавати. А на що списувати багатомільярдні збитки від вибухів на шахтах і рудниках.

На рис.1 представлена ​​принципова схема обігріву будинку за допомогою теплового насоса

1. Тепловий насос
2. Трубопровід, покладений в землі
3. Бойлер непрямого нагріву
4. Система опалення «тепла підлога»
5. Контур подачі гарячої води

Принципова схема обігріву будинку за допомогою теплового насоса

Принцип дії теплового насоса

Як джерело низько потенційного тепла може виступати зовнішнє повітря, що має температуру від -15 до +15 ° С, повітря відводиться з приміщення з температурою 15-25 ° С, підгрунтові (4-10 ° С) і грунтові (більше 10 ° C) води , озерна і річкова вода (0-10 ° С), поверхневий (0-10 ° С) і глибинний (більше 20 м) грунт (10 ° С). У Нідерландах, наприклад, в місті Херлен (Heerlen) для цих цілей використовується затоплена шахта. Вода, що наповнює стару шахту, на рівні 700 метрів має постійну температуру в 32 ° C.

У разі використання в якості джерела тепла атмосферного або вентиляційного повітря, система опалення працює за схемою «повітря-вода». Насос може бути розташований всередині або зовні приміщення. Повітря подається в його теплообмінник за допомогою вентилятора.

Якщо в якості джерела тепла використовуються ґрунтові води, то система працює за схемою «вода-вода». Вода подається зі свердловини за допомогою насоса в теплообмінник насоса, а після відбору тепла, скидається або в іншу свердловину, або у водойму. Як проміжний теплоносій можна використовувати антифриз або тосол. Якщо в якості джерела енергії виступає водойму, на його дно вкладається петля з металопластикової або пластикової труби. По трубопроводу циркулює розчин гліколю (антифриз) або тосола який через теплообмінник теплового насоса передає тепло фреону.

При використанні в якості джерела тепла грунту, система працює за схемою «грунт-вода». Можливі два варіанти пристрою колектора - вертикальний і горизонтальний.

• При горизонтальному розташуванні колектора, металопластикових труби укладають в траншеї глибиною 1,2-1,5 м або у вигляді спіралей в траншеї глибиною 2-4 м. Такий спосіб укладання дозволяє значно зменшити довжину траншей.

Схема теплового насоса при горизонтальному колекторі зі спіральною укладанням труб

1. Тепловий насос
2. Трубопровід, покладений в землі
3. Бойлер непрямого нагріву
4. Система опалення «тепла підлога»
5. Контур подачі гарячої води

Схема вертикального зонда

Установка зонда в свердловину

Розрахунок горизонтального колектора теплового насоса

Розрахунок горизонтального колектора теплового насоса.

q - питома знімання (з 1 м пог. труби).

• сухий пісок - 10 Вт / м,
• суха глина - 20 Вт / м,
• волога глина - 25 Вт / м,
• глина з великим вмістом води - 35 Вт / м

Між прямий і зворотній петлею колектора з`являється різниця температур теплоносія.

Зазвичай для розрахунку її приймають рівною 3 ° С. Недоліком такої схеми є те, що на ділянці над колектором не бажано зводити будівель, щоб тепло землі поповнювалося за рахунок сонячної радіації. Оптимальна дистанція між трубами вважається 0,7-0,8 м. При цьому довжина однієї траншеї вибирається від 30 до 120 м.

Приклад розрахунку теплового насоса

Я приведу зразковий розрахунок теплового насоса для нашого екодома, описаного в статті "Екодім. Теплопостачання екодома."

Вважається, що для обігріву будинку з висотою стелі 3м, необхідно витрачати 1 кВт. Теплової енергії на 10 кв.м площі. При площі будинку 10х10м = 100 кв.м, необхідно 10кВт теплової енергії.

При використанні теплої підлоги, температура теплоносія в системі. повинна бути 35 ° С, а мінімальна температура теплоносія - 0 ° С.

Я привожу дані теплового насоса Thermia Villa

Таблиця 1. Характеристики теплового насоса Thermia Villa

Для обігріву будівлі потрібно вибирати тепловий насос потужністю 15,6 кВт (найближчий більший типорозмір), що витрачає на роботу компресора 5 кВт. Вибираємо по типу грунту знімання з поверхневого шару грунту. Для (вологої глини) q дорівнює 25 Вт / м.

Розрахуємо потужність теплового колектора

Qo = Qwp - P,

де

Qo - потужність теплового колектора. кВт;

Qwp - потужність теплового насоса. кВт;

P - електрична потужність компресора. кВт.

Необхідна теплова потужність колектора складе

де

q - питома (з 1 шт труби) знімання, кВт / м.

L = 10,6 / 0,025 = 424 м

Для організації такого колектора буде потрібно 5 контурів довжиною по 100 м. Виходячи з цього, визначимо необхідну площу ділянки для укладання контуру.

A = L х da,

де

da - відстань між трубами (крок укладання), м.

При кроці укладання 0,75 м необхідна площа ділянки складе

А = 500 х 0,75 = 375 м2

Розрахунок вертикального колектора

При виборі вертикального колектора, бурять свердловини глибиною від 20 до 100 м. У них занурюються U-образні металопластикові або пластикові труби. Для цього в одну свердловину вставляється дві петлі, які заливається цементним розчином.

Питома знімання такого колектора становить 50 Вт / м. Для більш точних розрахунків застосовують такі дані:

• сухі осадові породи - 20 Вт / м;
• кам`янистий ґрунт і насичені водою осадові породи - 50 Вт / м;
• кам`яні породи з високою теплопровідністю - 70 Вт / м;
• підземні води - 80 Вт / м.

На глибинах понад 15 м, температура грунту становить приблизно +10 ° С. Необхідно враховувати, що відстань між свердловинами повинна бути більше 5 м. Якщо в грунті існують підземні течії, то свердловини необхідно бурити перпендикулярної потоку.

Приклад розрахунку теплового насоса

L = Qo / q = 10,6 / 0,05 = 212 м

Таким чином, при питомій теплос`еме вертикального колектора 50 Вт / м і необхідної потужності 10,6 кВт довжина труби L повинна скласти 212м.

Для пристрою колектора необхідно пробурити три свердловини глибиною по 75 м. У кожній з них розміщуємо по дві петлі з металопластикової труби всього - 6 контурів по 150 м.

Робота теплового насоса при роботі за схемою «Грунт-вода»

Трубопровід укладається в землю. При прокачуванні через нього теплоносія, останній нагрівається до температури грунту. Далі по схемі вода надходить в теплообмінник теплового насоса і віддає все тепло у внутрішній контур теплового насоса.

У внутрішній контур теплового насосу закачаний холодоагент під тиском. В якості холодоагенту використовується фреон або його замінники, оскільки фреон руйнує озоновий шар атмосфери і заборонений до використання в нових розробках. У холодоагенту низька температура кипіння і тому коли в випарнику різко знижується тиск, він переходить з рідкого стану в газ при низькій температурі.

Після випарника газоподібний холодоагент надходить у компресор і стискується компресором. При цьому він розігрівається, і тиск його підвищується. Гарячий холодоагент надходить в конденсатор, де протікає теплообмін між ним і теплоносієм із зворотного трубопроводу. Віддаючи своє тепло, холодоагент охолоджується і переходить в рідкий стан. Теплоносій надходить в опалювальну систему і знову охолоджуючись, передає своє тепло в приміщення. Коли холодоагент проходить через редукційний клапан, його тиск падає, і він знову переходить в рідку фазу. Після цього цикл повторюється.

У холодну пору року теплонасос працює як обігрівач, а в жарку пору може використовуватися для охолодження приміщення (при цьому тепловий насос не підігрівати, а охолоджує теплоносій - воду. А охолоджена вода, в свою чергу може використовуватися для охолодження повітря в приміщенні).

У загальному випадку, теплонасос є машиною Карно, що працює в зворотному напрямку. Холодильник перекачує тепло з охолоджуваного об`єму в навколишнє повітря. Якщо помістити холодильник на вулиці, то, витягуючи тепло з зовнішнього повітря і передаючи його всередину будинку, то можна таким нехитрим способом, в якійсь мірі, обігрівати приміщення.

Однак, як показує практика, одного лише теплового насоса для постачання будинку теплом і гарячою водою недостатньо. Насмілюся запропонувати оптимальну, на мій погляд, схему опалення і гарячого водопостачання будинку.

Малюнок 2 - Пропонована схема постачання будинку теплом і гарячою водою

1. теплогенератор
2. сонячний колектор
3. Бойлер непрямого нагріву
4. Тепловий насос
5. Трубопровід в землі
6. Циркуляційний блок геліосистеми
7. Радіатор опалення
8. Контур подачі гарячої води
9. Система опалення «тепла підлога»

Дана схема передбачає одночасне використання трьох джерел тепла. Основну роль відіграє в ній теплогенератор (1), Тепловий насос (4) і сонячний колектор (2), які служать допоміжними елементами і сприяють зниженню витрат споживаної електроенергії, як наслідок, і підвищенню ефективності нагріву. Одночасне використання трьох джерел нагріву практично повністю виключає небезпеку розмерзання системи.

Адже ймовірність виходу з ладу одночасно і теплогенератора, і теплового насоса, і сонячного колектора мізерно мала. На схемі показані два варіанти обігріву приміщень: радіатори (7) і «тепла підлога» (9). Це не означає, що треба використовувати обидва варіанти, а лише ілюструє можливість використання і одного і другого.

Принцип роботи схеми опалення.

Теплогенератор (1) подає нагріту воду в бойлер (3) і контур, що складається з радіаторів опалення (7). Також в бойлер надходить нагрітий теплоносій від теплового насоса (4) і сонячного колектора (2). Частина нагрітої тепловим насосом води також подається на вхід теплогенератора. Змішуючись з «обратку» обігрівального контура, вона підвищує її температуру. Це сприяє більш ефективному нагріву води в кавітатор теплогенератора. Нагріта і накопичена в бойлері вода подається в контур системи «тепла підлога» (9) і контур подачі гарячої води (8).

Звичайно, ефективність даної схеми буде неоднаковою в різних широтах. Адже сонячний колектор матиме найбільшу ефективність в літню пору року і, звичайно ж, в сонячну погоду. У наших широтах влітку опалювати житлові приміщення немає необхідності, тому теплогенератор можна взагалі відключити. А так як літо у нас досить спекотне і ми вже з трудом представляємо свій побут без кондиціонера, то тепловий насос передбачається включити на режим охолодження. Природно трубопровід, що йде від теплового насоса до бойлера, буде перекритий. Таким чином вирішувати задачу гарячого водопостачання передбачається тільки за допомогою геліосистеми. І лише в разі, якщо геліосистема не справляється з цим завданням, використовувати теплогенератор.

Як бачимо, схема досить складна і дорога.

Загальні приблизні витрати в залежності від обраної схеми наведені нижче

Для вертикального колектора:

• Тепловий насос 6000 €
• Бурові роботи 6000 €
• Експлуатаційні витрати (електрика): близько 400 € в рік.

Для горизонтального колектора:

• Тепловий насос 6000 €
• Бурові роботи 3000 €
• Експлуатаційні витрати (електрика): близько 450 євро в рік

З великих витрат будуть потрібні витрати на закупівлю труб і на оплату праці робітників.

Установка плоского сонячного колектора (наприклад, Vitosol 100-F і водонагрівача 300л) обійдеться в 3200 €

Тому давайте, підемо від простого до складного. Спочатку зберемо просту схему опалення будинку на основі теплогенератора, налагодимо її, і поступово будемо додавати в неї нові елементи, що дозволяють збільшувати ККД установки.

Зберемо систему опалення за схемою, представленої на рис.3.

Малюнок 3 - Схема теплопостачання будинку з використанням теплогенератора

1. теплогенератор
2. Бойлер непрямого нагріву
3. Система опалення «тепла підлога»
4. Контур подачі гарячої води

У підсумку ми отримали найпростішу схему теплопостачання будинку, Я поділився своїми думками для того, що б спонукати ініціативних людей до розвитку альтернативних джерел енергії. Якщо у когось виникнуть ідеї або заперечення з приводу написаного вище, давайте ділитися думками, давайте накопичувати знання і досвід в даному питанні, і ми збережемо нашу екологію і зробимо життя трошки краще.

Як бачимо тут основний і єдиний елемент, що нагріває теплоносій, - це теплогенератор. Хоча в схемі і передбачений лише один джерело нагріву, вона передбачає можливість подальшого додавання додаткових нагрівальних пристроїв. Для цього передбачається використання бойлера непрямого нагріву з можливістю додавання або вилучення теплообмінників.

Використання радіаторів опалення, наявних у схемі, зображеної на рис. 2, що не передбачається. Як відомо система «тепла підлога» більш ефективно справляється із завданням обігріву приміщень і дозволяє економити затрачену енергію.